Номер 2, страница 110 - гдз по химии 9 класс сборник задач и упражнений Габриелян, Тригубчак

10. Металлы. Домашний эксперимент - номер 2, страница 110.

Условие.

2. Окраска пламени катионами $Na^{+}$

Доказать наличие катионов щелочных металлов в составе солей можно только по изменению окраски пламени. Этот вид анализа проводят в лаборатории, набирая кристаллы исследуемой соли на платиновую проволоку. В домашних условиях можно наблюдать изменение окраски пламени катионами $Na^{+}$.

В фарфоровую чашечку поместите ватку, смоченную любой спиртосодержащей жидкостью для лучшего возгорания. На ватку насыпьте кристаллы поваренной соли. Подожгите ватку и наблюдайте за изменением окраски пламени в процессе горения. Ответьте на вопросы.

а) Какой становится окраска бесцветной части пламени в присутствии катионов натрия?

б) Почему в качественном анализе для обнаружения катионов щелочных металлов нельзя использовать обычные качественные реакции (как, например, для обнаружения ионов $Cu^{2+}$, $Fe^{2+}$, $Fe^{3+}$ и др.)?

в) Почему в качественном анализе при наблюдении за изменением окраски пламени используют именно платиновую проволоку? Предложите, чем можно заменить платиновую проволоку в условиях школьной химической лаборатории.

Решение.

Решение 2.

а) Какой становится окраска бесцветной части пламени в присутствии катионов натрия?

При внесении в бесцветное пламя горелки солей натрия, например, поваренной соли ($NaCl$), оно окрашивается в интенсивный и характерный ярко-желтый цвет. Это явление связано с процессом, происходящим на атомном уровне. Высокая температура пламени сообщает атомам натрия энергию. Внешние электроны в атомах натрия переходят на более высокие, возбужденные энергетические уровни. Такое состояние нестабильно, и электроны почти мгновенно возвращаются на свои исходные, более низкие уровни. При этом переходе избыток энергии испускается в виде кванта света (фотона) со строго определенной длиной волны. Для натрия эта длина волны лежит в желтой части видимого спектра (около 589 нм), что и воспринимается человеческим глазом как ярко-желтое свечение.

Ответ: В присутствии катионов натрия бесцветная часть пламени окрашивается в ярко-желтый цвет.

б) Почему в качественном анализе для обнаружения катионов щелочных металлов нельзя использовать обычные качественные реакции (как, например, для обнаружения ионов $Cu^{2+}$, $Fe^{2+}$, $Fe^{3+}$ и др.)?

Стандартные методы качественного анализа в растворах, как правило, основаны на двух типах реакций: реакции осаждения (образование нерастворимого соединения, которое выпадает в осадок) и цветные реакции (изменение окраски раствора). Катионы щелочных металлов ($Li^+$, $Na^+$, $K^+$ и др.) имеют несколько особенностей, которые делают эти методы малопригодными для их обнаружения:

1. Высокая растворимость солей. Подавляющее большинство солей щелочных металлов (хлориды, нитраты, сульфаты, карбонаты и др.) хорошо растворимы в воде. В отличие от ионов переходных металлов, таких как $Cu^{2+}$ или $Fe^{3+}$, которые легко образуют нерастворимые гидроксиды, сульфиды или карбонаты, найти реагент, способный осадить катионы щелочных металлов из раствора, очень сложно. Существуют немногочисленные исключения (например, некоторые комплексные соли), но они не являются универсальными и простыми в применении.
2. Бесцветность ионов и их соединений. Ионы щелочных металлов в растворе бесцветны, так как у них нет неспаренных электронов на внешних орбиталях, способных к переходам, поглощающим свет в видимой области спектра. По этой же причине большинство их твердых солей также белого цвета (если только анион не является окрашенным, как в перманганате калия $KMnO_4$). Это исключает возможность их обнаружения по изменению цвета раствора.

Из-за этих свойств анализ по окраске пламени, где каждый щелочной металл дает свой уникальный и характерный цвет, является простым, быстрым и надежным методом их идентификации.

Ответ: Потому что практически все соли щелочных металлов хорошо растворимы в воде, что делает невозможным их обнаружение с помощью реакций осаждения. Кроме того, их ионы в растворах бесцветны, что исключает использование цветных реакций.

в) Почему в качественном анализе при наблюдении за изменением окраски пламени используют именно платиновую проволоку? Предложите, чем можно заменить платиновую проволоку в условиях школьной химической лаборатории.

Платиновую проволоку используют по нескольким причинам, обусловленным уникальными свойствами платины:

• Химическая инертность. Платина — благородный металл, она не вступает в реакцию с анализируемыми солями и не окисляется в пламени горелки. Это гарантирует, что сама проволока не будет вносить постороннюю окраску в пламя, искажая результат анализа.
• Тугоплавкость. Температура плавления платины (1768 °C) значительно выше температуры пламени спиртовки или газовой горелки (до ~1500 °C), поэтому проволока не плавится во время эксперимента.
• Легкость очистки. Проволоку легко очистить для повторного использования, прокаливая ее в пламени и обрабатывая концентрированной соляной кислотой до тех пор, пока она не перестанет окрашивать пламя.

В условиях школьной химической лаборатории платина является слишком дорогим материалом. Ее можно успешно заменить более доступными аналогами:

• Нихромовая проволока. Это наилучший и наиболее распространенный заменитель. Нихром (сплав никеля и хрома) имеет достаточно высокую температуру плавления (около 1400 °C) и хорошую стойкость к окислению при высоких температурах. Он может придавать пламени очень слабое оранжевое окрашивание, но оно, как правило, не мешает наблюдению ярких цветов, которые дают соли щелочных и щелочноземельных металлов.
• Графитовый стержень. Можно использовать грифель от простого карандаша. Графит тугоплавок и инертен, но он может медленно сгорать в пламени, а также является более хрупким материалом.
• Деревянная лучинка. Для одноразовых тестов можно использовать чистую деревянную лучинку. Чтобы она не сгорела слишком быстро и чтобы на ней удержались кристаллы соли, ее конец смачивают дистиллированной водой, а затем набирают на него исследуемое вещество. Недостатком является то, что сама горящая древесина дает желтое пламя, которое может маскировать другие цвета, особенно желтый цвет натрия.

Ответ: Платиновую проволоку используют из-за ее химической инертности, тугоплавкости и легкости очистки. В школьной лаборатории ее можно заменить нихромовой проволокой, графитовым стержнем или, в простейшем случае, смоченной в воде деревянной лучинкой.